p O grafeno é o material do futuro. Por anos, pesquisadores e tecnólogos têm previsto a utilidade das folhas de carbono puro com um átomo de espessura em tudo, desde telas de toque avançadas e semicondutores a baterias de longa duração e células solares de próxima geração. p Mas as propriedades intrínsecas únicas do grafeno - condutividades elétricas e térmicas supremas e notável mobilidade de elétrons, para citar apenas alguns - só pode ser totalmente realizado se for cultivado sem defeitos que interrompam o padrão de favo de mel dos átomos de carbono ligados.

p Uma equipe liderada pela Cientista de Materiais Anirudha Sumant com o Centro de Materiais em Nanoescala (CNM) e a Divisão de Ciência de Materiais do Departamento de Energia dos EUA (DOE) Argonne National Laboratory, junto com colaboradores da University of California-Riverside, desenvolveu um método para cultivar grafeno que contém relativamente poucas impurezas e custa menos para fazer, em um tempo mais curto e em temperaturas mais baixas em comparação com os processos amplamente usados ​​para fazer o grafeno hoje.

p O trabalho teórico liderado pelo nanocientista de Argonne Subramanian Sankaranarayanan no CNM ajudou os pesquisadores a compreender os processos de nível molecular subjacentes ao crescimento do grafeno.

p "Eu tenho lidado com todas essas diferentes técnicas de cultivo de grafeno, e você nunca vê tal uniforme, superfície lisa."

p A nova tecnologia torna diamantes ultranocristalinos (UNCD), um tipo de diamante sintético no qual os pesquisadores de Argonne foram pioneiros ao longo de anos de pesquisa. UNCD serve como um substrato físico, ou superfície em que o grafeno cresce, e a fonte para os átomos de carbono que compõem uma folha de grafeno produzida rapidamente.

p "Quando eu olhei pela primeira vez para a [micrografia eletrônica de varredura] e vi este belo uniforme, camada muito completa, foi fantástico, "disse Diana Berman, o primeiro autor do estudo e ex-associado de pesquisa de pós-doutorado que trabalhou com Sumant e agora é professor assistente na University of North Texas. "Eu tenho lidado com todas essas diferentes técnicas de cultivo de grafeno, e você nunca vê tal uniforme, superfície lisa."

p Os protocolos atuais de fabricação de grafeno introduzem impurezas durante o próprio processo de corrosão, que envolve a adição de ácido e polímeros extras, e quando eles são transferidos para um substrato diferente para uso em eletrônica.

p "As impurezas introduzidas durante esta corrosão e a etapa de transferência afetam negativamente as propriedades eletrônicas do grafeno, "Sumant disse." Então você não obtém as propriedades intrínsecas do grafeno quando você realmente faz essa transferência. "

p A equipe descobriu que a camada única, o grafeno de domínio único pode ser cultivado em orifícios de tamanho mícron lateralmente, tornando-os completamente independentes (ou seja, destacado do substrato subjacente). Isso torna possível explorar as propriedades intrínsecas do grafeno fabricando dispositivos diretamente sobre o grafeno autônomo.

p O novo processo também é muito mais econômico do que os métodos convencionais baseados no uso de carboneto de silício como substrato. Sumant diz que os wafers de carboneto de silício de 3 a 4 polegadas usados ​​nesses tipos de métodos de crescimento custam cerca de US $ 1, 200, enquanto os filmes UNCD em wafers de silício custam menos de US $ 500 para fazer.

p O método do diamante também leva menos de um minuto para fazer crescer uma folha de grafeno, onde o método convencional leva cerca de horas.

p A alta qualidade do grafeno foi confirmada pelos co-autores da UC Riverside, Zhong Yan e Alexander Balandin, pela fabricação de transistores de efeito de campo de porta superior a partir deste material e pela medição de sua mobilidade de elétrons e concentração de portadores de carga.

p "É sabido que certos metais, como níquel e ferro, dissolver o diamante em temperaturas elevadas, e o mesmo processo tem sido usado por muitos anos para polir o diamante, "disse Sumant. Ele e sua equipe usaram essa propriedade para empregar níquel na conversão da camada superior do diamante em carbono amorfo, mas não estava claro como esses átomos de carbono liberados se convertiam instantaneamente em grafeno de alta qualidade.

p Após a descoberta inicial de Sumant e Berman de cultivo de grafeno diretamente no UNCD, Sankaranarayanan e seus pós-docs Badri Narayanan e Sanket Deshmukh, os cientistas de materiais computacionais do CNM usaram recursos do Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) para ajudar a equipe a entender melhor o mecanismo do processo de crescimento subjacente a este fenômeno interessante usando simulações dinâmicas moleculares reativas.

p Simulações de computador desenvolvidas por Narayanan, Deshmukh e Sankaranarayanan mostraram que certa orientação cristalográfica do níquel-111 favorece altamente a nucleação, e subsequente rápido crescimento de grafeno; isso foi então confirmado experimentalmente.

p Essas simulações em grande escala também mostraram como o grafeno se forma. Os átomos de níquel se difundem no diamante e destroem sua ordem cristalina, enquanto os átomos de carbono deste sólido amorfo se movem para a superfície do níquel e rapidamente formam estruturas semelhantes a favo de mel, resultando principalmente em grafeno livre de defeitos.

p O níquel então se infiltrou pelos finos grãos cristalinos do UNCD, afundando para fora do caminho e removendo a necessidade de ácido para dissolver o excesso de átomos de metal da superfície superior.

p “É como encontrar um bom samaritano em um lugar desconhecido que te ajuda, faz o seu trabalho e sai silenciosamente sem deixar vestígios, "disse Sumant.

p "O poder preditivo comprovado de nossas simulações nos coloca em uma posição de vantagem para permitir a rápida descoberta de novas ligas catalíticas que medeiam o crescimento de grafeno de alta qualidade em dielétricos e se afastam por conta própria quando o crescimento é concluído, "acrescentou Narayanan.

p Além da utilidade em fazer minimamente defeituoso, grafeno pronto para aplicativos para coisas como sensores de vibração de baixa frequência, transistores de radiofrequência e melhores eletrodos para purificação de água, Berman e Sumant dizem que a equipe da Argonne já garantiu três patentes decorrentes de seu novo método de crescimento de grafeno.

p Os pesquisadores já estabeleceram uma colaboração com o Instituto Sueco de Física Espacial envolvendo a Agência Espacial Européia para seu programa Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) para desenvolver sondas revestidas de grafeno que podem ajudar os veículos exploratórios a detectar as propriedades do plasma ao redor das luas de Júpiter.

p Mais perto de casa, a equipe também criou agulhas de diamante e grafeno para pesquisadores da Universidade da Carolina do Norte, para uso em aplicações de biossensor.

p Os pesquisadores de Argonne estão agora ajustando o processo - ajustando a temperatura usada para catalisar a reação e ajustando a espessura do substrato de diamante e a composição do filme de metal que facilita o crescimento do grafeno - para otimizar a reação e estudar melhor o física na interface diamante-grafeno.

p "Estamos tentando ajustar isso com mais cuidado para ter uma melhor compreensão de quais condições levam a qual qualidade de grafeno estamos vendo, "Berman disse.

p Outros autores de Argonne envolvidos no estudo foram Alexander Zinovev e Daniel Rosenmann. O papel, "Transformação rápida induzida por metal de diamante em grafeno de camada única e multicamadas na escala de wafer, "é publicado em Nature Communications .